Forskere øger lysemissionen i 2D-halvledere med en faktor på 100

(Phys.org) – Omtalen af ​​et todimensionelt materiale med fremragende elektriske og optiske egenskaber kan måske først bringe tankerne hen på grafen. Imidlertid, denne beskrivelse passer også til en anden klasse af materialer kaldet transition metal dichalcogenides (TMD'er). Selvom TMD'er i bulkform er blevet undersøgt i årtier - før grafen overhovedet blev opdaget - er de først for nylig blevet isoleret til monolag. Med de seneste fremskridt inden for karakterisering af nanomaterialer, forskere har erkendt potentialet af monolag TMD'er i applikationer som LED'er, optisk energikonvertering, og andre 2D optoelektronik teknologier.

Monolayer TMD'er er direkte band gap halvledere og, af den grund, forventes at være gode lysgivere. Men indtil videre, monolag TMD'er har kun udsendt lys ved lave intensiteter og lav effektivitet. Og fordi den underliggende fysik af monolag TMD-lysemission er forblevet uhåndgribelig, videnskabsmænd har haft svært ved at foretage forbedringer.

Nu er en ny undersøgelse udført af forskere i Materials Science and Engineering Departments ved University of California, Berkeley, og MIT, samt fra Institute of Semiconductors ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, Kina, har påvist en forbedring i lysemissionsintensiteten af ​​TMD'er med en faktor på 100. Undersøgelsen er offentliggjort i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Betydningen af ​​dette arbejde er demonstrationen og forståelsen af ​​lysmodulationen ved molekylær og elektrisk gating, "medforfatter Sefaattin Tongay, en post-doc forsker ved Berkeley, fortalte Phys.org . "Vi har præsenteret en detaljeret forståelse af den observerede modulation og opnået bemærkelsesværdige lysemissionsintensiteter. Disse resultater har en vidtrækkende indvirkning i feltet, da monolag TMD'er har et stort overflade-til-volumen-forhold og derfor er meget følsomme over for omgivende forhold. Vores resultater viser en detaljeret forståelse af ændringer i de optiske egenskaber forårsaget af interaktionen mellem gasmolekyler og monolag TMD'er. Her, vi udnytter denne egenskab og modulerer lysemissionen reversibelt op til 100 gange ved hjælp af simple gas- og elektriske gatingmetoder."

I modsætning til grafen, som er et organisk materiale, der udelukkende består af kulstofatomer, de TMD'er, som forskerne studerede her, er uorganiske materialer, hvor hvert molekyle er lavet af et overgangsmetal og to chalcogenider. Deres kemiske formel er MX ₂ , med almindelige eksempler er MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ og WSe ₂ .

I deres eksperimenter, forskerne forberedte først monolag MoS ₂ flager, der kun var 0,7 nm, eller tre atomer, tyk. Derefter, at gøre flagerne mere følsomme over for gasmolekyler, forskerne udglødede flagerne ved at placere dem i et vakuumkammer ved høj temperatur. Efter udglødning, enkeltlagsflagerne blev udsat for forskellige typer gasser ved kontrollerede gastryk.

Ved eksponering for H ₂ Åh, O ₂ , eller H ₂ O og O ₂ sammen, MoS2-flagernes lysemissionsintensitet steg med 10, 35, og 100 gange, henholdsvis. Forskerne observerede ikke den samme forbedring i en inert gas (N ₂ og Ar) miljø, hvilket tyder på, at effekten synes at være direkte relateret til interaktionen mellem O ₂ og H ₂ O og monolaget TMD.

Forskerne fandt også ud af, at effekten er fuldt reversibel, når gassen pumpes ud af kammeret, på hvilket tidspunkt intensiteten straks vender tilbage til sin oprindelige værdi. Som forskerne bemærkede, reversibel lysemissionsintensitet er et vigtigt kriterium for forskellige optikapplikationer. Reversibiliteten tyder også på, at O ₂ og H ₂ O-molekyler er fysisorberede snarere end kemisorberede på MoS2-overfladen. Som fysisk absorberede molekyler, den molekylære struktur forbliver uændret, i modsætning til kemisk absorberede molekyler.

Endnu mere interessant, fandt forskerne ud af, at mens MoSe ₂ udviser lignende gasfølsomhed over for MoS ₂ , WSe ₂ viser den modsatte adfærd; det er, dens lysemissionsintensitet falder ved eksponering for O ₂ og/eller H ₂ O.

Disse observationer, sammen med simuleringer, gjorde det muligt for forskerne at foreslå en fysisk mekanisme til at forklare effekten. De tror, ​​at når gasmolekylerne fysisorberes på MoS ₂ (eller MoSe ₂ ) overflade, nogle af de frie elektroner fra overfladen overføres til gasmolekylerne, udtømmer MoS ₂ (eller MoSe ₂ ) af dets frie elektroner. Normalt, excitonerne i overfladen ville blive bundet til elektroner og blive negativt ladede "trioner". Men uden de overskydende frie elektroner, excitonerne forbliver neutrale og stabile, fremmer mere intens lysemission.

"Denne [modulation] er mulig for det system, vi studerede på grund af dets todimensionelle natur, som ikke kun giver det maksimale overflade-til-volumen-forhold (derfor maksimale overfladesteder til at interagere med gasmolekyler), men begrænser også elektroner i den grad, der i høj grad forbedrer interaktionen mellem elektroner, huller og lys, " forklarede medforfatter Junqiao Wu, professor ved University of California, Berkeley.

Denne mekanisme forklarer også, hvorfor WSe2 viser den modsatte adfærd som MoS ₂ og MoSe ₂ . MoS ₂ og MoSe ₂ overflader har frie elektroner i første omgang, fordi de begge er n-type dopede halvledere. WSe ₂ , på den anden side, er en p-type dopet halvleder og har frie huller i stedet for elektroner. Så for WSe ₂ , O ₂ og/eller H ₂ O gasmolekyler får hullerne til at akkumulere, i stedet for at blive udtømt, på WSe ₂ overflade. Som resultat, WSe ₂ indeholder endnu flere trioner end før den blev udsat for gasmolekylerne, hvilket reducerer dens lysemissionsintensitet.

Forskerne demonstrerede også lignende lysemissionsmodulation i elektrisk gatede enheder i et kontrolleret gasmiljø. Imidlertid, moduleringen i dette tilfælde var ubetydelig, når enheden fungerede under vakuumforhold. Fundet tyder på, at elektrisk gating også kan modulere lysemission ved at kontrollere gasfysysorptionen på monolag TMD'er.

Evnen til reversibelt at kontrollere lysemissionsintensiteten af ​​halvledende TMD'er ved at kontrollere gastryk og elektrisk gating kunne have vidtrækkende virkninger for felterne af kondenseret stofs fysik, optik, materialevidenskab og teknik, og elektronik. Forskerne forudser, at med den nye forståelse af, hvordan interaktionen mellem gas og monolag TMD'er påvirker TMD'ernes optiske egenskaber, yderligere forbedringer i lysemissionsintensiteten kan opnås. For eksempel, eksperimentere med forskellige gasmolekyler, modifikation af monolagsoverfladen med kemiske midler, der øger følsomheden over for gasmolekyler, og bevidst at skabe punktdefekter i monolaget for at fremme fysisorption kunne yderligere øge lysemissionsintensiteten, gør monolag TMD'er endnu mere velegnet til optoelektronikapplikationer.

I fremtiden, forskerne planlægger at arbejde på at udvikle nye materialer med usædvanlige egenskaber ved at konstruere deres fysiske egenskaber, som de gjorde her.

"Vi vil studere virkningerne af eventuelle ufuldkommenheder generelt i sådanne todimensionelle halvledere, herunder atomare defekter, substrateffekter, samt interaktioner med molekyleadsorbater, " sagde Wu.

© 2013 Phys.org